专利名称：一种尾矿库数值仿真和在线监测集成应急预警系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应急预警系统，尤其是一种尾矿库数值仿真和在线监测集成应急预警系统。
背景技术：
国内尾矿库汇水面积一般都小于10km2，绝大部分小于3km2，如此小的汇水面积在尾矿库设计时没有气象及水文测站，这就导致两个问题1)在尾矿库设计时没有可靠的气象水文资料，只能靠查算当地的水文计算手册。尾矿库建成投入使用后，也没有库区实测的气象水文资料来验证当初设计时的资料是否合理，是否需要调整。2)尾矿库在运行时没有准确的气象水文预报。当前气象水文预报都是利用省、市级气象台发布的气象预报资料来管理尾矿库，但由于尾矿库汇水面积小，形成洪峰历时短、调洪库容小，易导致尾矿库运行过程中风险大，这种预报精度还不够，要么出现较频繁的预警，给当地政府和人民群众造成紧张和恐慌；要么没有预警到，当极端气象灾害来临时，矿山管理人员、当地政府和人民群众措手不及，造成重大的生命和财产损失。
由于历史原因，金属矿山已投入使用的尾矿库的监测处于非常落后的状况，主要表现在1)尾矿库库区极少建有气象水文观测站这样无法获得更真实的第一手资料来校验当初设计时的洪水成果和进行气象水文预报；2)监测仪器简陋落后坝体位移观测采用埋设预制混凝土桩，用全站仪或经纬仪观测；浸润线观测采用钻孔埋设花管用皮尺测水位； 库内水位用在排洪构筑物上画水位尺进行观测。这样，灵敏度和精度都很难保证。3)人工测量、人工上报现有的尾矿库安全管理主要是靠人工巡视、人工测量、人工上报观测成果， 导致人为误差大、可靠性差、实效性差。特别是在极端天气条件下，往往是尾矿库发生险情的集中时段，仅靠人工巡视、人工测量的数据不能准确及时有效地反映尾矿库的实时状况， 出现的危险源不能及时发现和通知上报，耽误处理尾矿库险情的最佳时机。目前尾矿库的监测系统已严重滞后于社会对环境和安全的要求。
即便是实现了在线监测，但是对于尾矿库安全运行来说还不是一套完整的决策系统。原因在于，像尾矿库这种特小汇水面积的汇流历时很短(在1小时左右)，一旦遇到强降雨时，如不能做到超前预报，就不能为应急处理留下足够的时间。发明内容
本发明的目的在于针对尾矿库的一整套完整的预警系统，并首次将精细化气象预报引进该套系统。
本发明的技术方案为一种尾矿库数值仿真和在线监测集成应急预警系统，该应急预警系统依托省气象台，通过在尾矿库库区设立气象站，建立起尾矿库的小流域气象水文监测站网，采用小流域精细化气象预报系统和建立气象水文预报模型，对尾矿库在汛期实行超前72小时、M小时、12小时、6小时、3小时精细化定量降水估测预报，然后据此得出尾矿库库区降水量一洪峰流量、洪水总量关系。
通过尾矿库库区1:500 1:1000地形图(含尾矿库全部汇水面积)，得出尾矿坝不同坝顶高程下的调洪库容，建立尾矿坝坝顶高程一最高洪水位一调洪库容三者之间的关系。利用计算流体动力学方法和技术(CFD)，建立尾矿库库水位一泄流模型、库水位一渗流模型、库水位一溃坝模型，通过计算机数值计算和图像显示的方法，实现尾矿库泄流能力数值仿真和得出溃坝后的影响范围。
通过对尾矿库建立从地上到地下，点、线、面、三维空间的自动监测系统，实现库内水位、库区降雨量、坝体变形量、坝体浸润线、坝体渗流量、干滩长度等关键指标的实时在线监测和库区视频监测。将实时监测得到的数据来校验和修正超前气象水文预报信息和数值计算模型，做到超前预警。将上述气象水文预报系统一尾矿库数值仿真技术一在线监测系统进行耦合和综合集成，形成完整的尾矿库综合应急预警系统。
本发明的优点在于本发明是结合气象部门建立尾矿库精细化气象水文预报系统和气象水文模型；借鉴水利部门发展较为成熟的大坝监测技术建立满足尾矿库监测特点的在线监测管理系统和监测预警系统；利用计算流体动力学技术建立通用的尾矿库库水位一泄流、渗流、溃坝模型，将以上三者融合，形成完整的尾矿库三维可视模型的应急决策服务体系。有了精细化的超前气象预报信息，结合尾矿库降雨-径流模型、径流-库水位模型、 库水位-泄流、渗流、溃坝模型可提前预判尾矿库运行状态，为应急处理留下足够时间；通过在线监测系统监测实时状态下的库区降雨、库内水位和坝体运行状态，可以反过来校验和修正尾矿库超前预报的成果。将这三者通过三维可视化模型快速直观表达出来，可为企业和当地政府提前预报、及时掌握和从容决策提供技术支撑。
图1为本发明尾矿库数值仿真和在线监测集成应急预警系统流程图。
具体实施方式
某铜矿布设无线、有线雨量监测仪各四台，分别安装在4#库、姊库、酸性水库、采场边坡，无线数据可直接传输至省、市气象台。气象台针对矿区小范围区域进行精细化气象预报，包括超前72小时、24小时、12小时、6小时、3小时定量降水估测预报；并通过降雨一径流模型和径流一库水位模型，得出尾矿库库区洪水总量、洪峰流量、库水位等特征值。
利用计算流体动力学(CFD)，对该铜矿4#尾矿库库区、坝体及排洪系统分别进行数值建模，得到尾矿库库水位一泄流模型、库水位一渗流模型、库水位一溃坝模型。将上述洪水总量、洪峰流量、库水位等特征值作为边界条件输入，可快速模拟出尾矿库在预报降水估测值下的泄流能力和坝体变形情况，通过图像显示方法直观表达出来，并将数据传输至相关技术人员及决策部门以快速决策。
同时在该铜矿4#尾矿库布置在线监测系统。在线监测系统分为两个部分，一部分为安装在本地的在线监测系统，另一部分为省管尾矿库监控指挥中心平台。本地在线监测系统由数据采集监测装置(五个监测断面，监测项目包括库区运行状态影像监控、降雨量监测、库水位监测、坝体位移监测、浸润线监测、干滩指标监测)、信号传输设备、信号接收及处理装置、计算机终端机管理系统、中心机房五部分组成。省管尾矿库监控指挥中心平台由远程数据采集及接收装置、中心大屏显示装置、中心计算机管理平台及机房辅助系统三部分组成。
由以上在线监测系统获取的实测数据可进一步作为决策依据，同时将这些实测数据与数值模型模拟结果对比以修正和优化数值模型。精细化气象预报、数值模拟计算与在线监测系统三者相辅相成，共同构成该铜矿4#尾矿库应急预警系统。
权利要求
1. 一种尾矿库数值仿真和在线监测集成应急预警系统，其特征在于该应急预警系统依托省气象台，通过在尾矿库库区设立气象站，建立起尾矿库的小流域气象水文监测站网， 采用小流域精细化气象预报系统和建立气象水文预报模型，对尾矿库在汛期实行超前72 小时、24小时、12小时、6小时、3小时精细化定量降水估测预报，然后据此得出尾矿库库区降水量一洪峰流量、洪水总量关系；通过尾矿库库区1:500 1:1000地形图，得出尾矿坝不同坝顶高程下的调洪库容，建立尾矿坝坝顶高程一最高洪水位一调洪库容三者之间的关系；利用计算流体动力学方法和技术，建立尾矿库库水位一泄流模型、库水位一渗流模型、 库水位一溃坝模型，通过计算机数值计算和图像显示的方法，实现尾矿库泄流能力数值仿真和得出溃坝后的影响范围；通过对尾矿库建立从地上到地下，点、线、面、三维空间的自动监测系统，实现库内水位、库区降雨量、坝体变形量、坝体浸润线、坝体渗流量、干滩长度等关键指标的实时在线监测和库区视频监测；将实时监测得到的数据来校验和修正超前气象水文预报信息和数值计算模型，做到超前预警；将上述气象水文预报系统一尾矿库数值仿真技术一在线监测系统进行耦合和综合集成，形成完整的尾矿库综合应急预警系统。
全文摘要
本发明公开一种尾矿库数值仿真和在线监测集成应急预警系统首次将精细化气象预报引进该套系统。将气象水文预报系统—尾矿库数值仿真技术—在线监测系统进行耦合和综合集成，形成完整的尾矿库综合应急预警系统。本发明的优点在于本发明是结合气象部门建立尾矿库精细化气象水文预报系统和气象水文模型；有了精细化的超前气象预报信息，结合尾矿库降雨-径流模型、径流-库水位模型、库水位-泄流、渗流、溃坝模型可提前预判尾矿库运行状态，为应急处理留下足够时间；通过在线监测系统监测实时状态下的库区降雨、库内水位和坝体运行状态，可以反过来校验和修正尾矿库超前预报的成果。将这三者通过三维可视化模型快速直观表达出来。
文档编号G08B31/00GK102509433SQ20111033562
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者刘晓峰, 吴国高, 唐笑, 张瑛, 欧阳伟, 沈楼燕 申请人:中国瑞林工程技术有限公司